包括开关电容桥的电路和方法
【专利摘要】一种包括开关电容桥的电路和方法，该方法包括：在时钟周期的第一阶段期间，可选择地将电容桥的第一和第二输入节点分别耦合至第一和第二电压，以及可选择地将所述电容桥的第一和第二输出节点分别耦合至第一和第二输出端子。该方法还包括：在时钟周期的第二阶段期间，可选择地将所述第一和第二输入节点分别耦合至第二和第一电压，以及可选择地将所述第一和第二输出节点分别耦合至第二和第一输出端子。
【专利说明】包括开关电容桥的电路和方法
【技术领域】
[0001] 本公开通常涉及测量电路，更具体地，涉及被配置为利用桥电路检测未知电学参 数的测量电路。
【背景技术】
[0002] 电容测量传感器，例如压力传感器和湿度传感器，能够配置为传递电信号，该电信 号能够估计被测参数的极小变化。这种传感器可与一个配置为将电容的细微变化转化为输 出信号的估计电路耦合。由于待测电容的尺寸小，有时用模拟放大器将模拟信号缩放，然 后，将经过放大的模拟信号由模拟转换为数字。
【发明内容】
[0003] 在一个【具体实施方式】中，一种方法，包括：在时钟周期的第一阶段，可选择地，将电 容桥的第一和第二输入节点分别与第一和第二电压稱合，以及可选择地，将电容桥的第一 和第二输出节点分别与第一和第二输出端子耦合。该方法还包括：在时钟周期的第二阶段， 可选择地，将该第一和第二输入节点分别与该第二和第一电压耦合，以及可选择地，将该第 一和第二输出节点分别与该第二和第一输出端子f禹合。
[0004] 在另一实施方式中，一种电路，包括一电容桥，该电容桥包括第一输入节点、第二 输入节点、第一输出节点和第二输出节点。该电路还包括第一开关网络，该开关网络配置为 在时钟周期的第一阶段将该第一和第二输入节点分别与第一和第二输入耦合，以及，在该 时钟周期的第二阶段，将该第一和第二输入节点分别与该第二和第一输入耦合。在一个实 施方式中，该电路还包括第二开关电路，该第二开关电路配置为在第一阶段可选择的将该 第一和第二输出节点分别与该第一和第二输出端子耦合，以及在第二阶段，可选择的将该 第二和第一输出节点分别与该第一和第二输出端子f禹合。
[0005] 在又一实施方式中，一种电路，包括电容桥，该电容桥包括第一输入节点、第二输 入节点、第一输出节点和第二输出节点。该电路还包括：用于可选择地将第一电压与第一和 第二输入节点之一进行耦合的第一多个开关，用于可选择地将第二电压与该第一和第二输 入节点之一进行耦合的第二多个开关，用于可选择地将该第一输出节点与该第一和第二输 出端子之一进行耦合的第三多个开关，以及，用于可选择地将该第二输出节点与该第一和 第二输出端子之一进行耦合的第四多个开关。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1是包含与连续时间积分器耦合的传统惠斯通电桥的电路示意图。
[0007] 图2是根据一个实施方式的包含与连续时间积分器耦合的开关电容桥的电路示 意图。
[0008] 图3是包含图2电路实施方式的多级速度德尔塔-西格马调制器的示意图。
[0009] 图4是根据一个实施方式的电容到数字转换器的第一积分器的电路图。
[0010] 图5是作为电容数字转换器（CDC)架构的一部分可与图4的第一积分器相结合而 使用的第二积分器的实施例的电路图。
[0011] 图6是根据一个实施方式的加法和比较器/锁存器电路的电路图。
[0012] 图7是根据一个实施方式的操作开关电容桥的方法流程图。
[0013] 在下面的描述中，不同的实施方式中使用的相同的附图标记表示相同或类似的部 件。
【具体实施方式】
[0014] 下面描述的开关电容桥的实施方式可用于测量电容的极小变化（如小于 0· OlfF)，并同时具备高分辩率（如高于16位）和低功耗（如低于60 μ A)性能。在一个实 施例中，该开关电容桥能够以高于16位的分辩率、同时低于60 μ Α的电流损耗来测量小于 0. OlfF的电容变化。在一个实施方式中，一种电路，包含由四个电容组成的桥电路，该桥电 路具有两个输入和两个输出，其中，两个输入配置为通过第一开关网络可选择地与电压源 耦合，两个输出配置为通过第二开关网络可选择地与积分器电路的输入耦合。在一个实施 方式中，可选择地触发该第一和第二开关网络的开关，以在每个时钟周期的两个阶段（也 就是每个时钟周期两次）对电荷进行采样和积分。该开关电容桥可配置为将高精度的电阻 型惠斯通电桥与开关电容德尔塔-西格马积分器的输入开关网络结合在一起，相对于被配 置为分别执行这些电路功能的电路来说，缩小了电路面积并减小了功耗。
[0015] 在一个实施方式中，基于德尔塔-西格马的电容数字转换器（CDC)架构包括桥电 路、积分电路和开关网络，其可用于耦合任一基于电容的测量/检测系统，以同时提供高精 度和低功耗。该德尔塔-西格马CDC架构可以在相对较低的带宽内应用，如大约100Hz等 级的带宽。在一个实施方式中，该德尔塔-西格马CDC架构可用于实现电池供电的湿度传 感器、压力传感器或者其他类型的传感器。在一个具体的典型实施例中，该德尔塔-西格 马CDC架构可提供16位或者具有最低有效位大约为0. 005fF的更高的分辩率，同时功耗为 59μ A以及采用0. 18 μ m处理工艺的电路面积为220 μ mX 340 μ m。
[0016] 该开关电容桥模仿电阻惠斯通电桥的工作，以与测量电阻极小变化的经典电阻惠 斯通电桥大约相同的精度测量电容的极小变化。为了说明该开关电容桥的概念，下面参照 图1对与连续时间积分器的输入耦合的传统电阻惠斯通电桥进行说明。
[0017] 图1所示电路100的结构图包括一个与连续时间积分器104耦合的传统的惠斯通 电桥102。惠斯通电桥102包括：可与第一基准电压源126 (VKEFP)稱合的输入106,该第一 基准电压源126可提供正的基准电压（例如，供电电压或者带隙基准电路的输出电压），以 及，可与第二基准电压源128 (VKEFM)耦合的输入108,该第二基准电压源128提供负的基准 电压（例如，地电压）。惠斯通电桥102还包括：输出110,其向积分器104的负㈠ 输入端 Vm提供电压，以及，第二输出112,其向积分器104的正（+)输入端Vp提供电压。惠斯通电 桥102包括：耦合在输入106和输出112之间的电阻130,耦合在输入108和和输出110之 间的电阻132,耦合在输入108和输出112之间的可变电阻134,以及耦合在输入106和输 出110之间的可变电阻136。可变电阻134和136的电阻配置为根据检测到的参数，如温 度、压力或者其其他参数，进行变化。
[0018] 积分器104包括全差分放大器114,该全差分放大器114包括与输出110 f禹合的 负㈠ 输入端Vm和与输出112耦合的正⑴输入端Vp。电路100包括提供正（+)输出电 压（Vop)的输出116和提供负㈠ 输出电压（Vom)的输出118。差分放大器114还包括与 Vom 118耦合的正输出端以及与Vop 116耦合的负输出端。正和负输出电压Vop 116和Vom 118设计为与全差分放大器114耦合的各输出端的相反的极性，这也是将这些线画为如图1 中所示的交叉形式。积分器104还包括耦合在输出118和输出110之间的电容120。此外， 积分器104还包括耦合在输出116和输出112之间的电容122。
[0019] 在一个实施方式中，电阻130和132可以是固定电阻，而可变电阻134和136用作 检测电阻，以检测电阻的细微△变化。另外，基准电压（V KEFP和VKEFM)可以是不随时间改变 的（例如，DC电压）。积分器104的负反馈促使输出110和112的电压趋于相同的电压水 平，因此，电压（Vp和Vm)之间的差为零，形成差分假接地。可变电阻134U36与电阻130、 132之间的Λ电导（1/电阻）（也就是1/R 134,136-1/R13Q,132)可检测为差分电流，成为放大器 114的差分假接地节点。根据下面的方程，将这个差分电流积分为电容120和122,下面的 方程表示电容的电压和电流之间的基本关系：
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 在时钟周期的第一阶段期间，可选择地将电容桥的第一和第二输入节点分别耦合至第 一和第二电压，以及可选择地将所述电容桥的第一和第二输出节点分别耦合至第一和第二 输出端子；和 在时钟周期的第二阶段期间，可选择地将所述第一和第二输入节点分别耦合至第二和 第一电压，以及可选择地将所述第一和第二输出节点分别耦合至第二和第一输出端子。
2. 根据权利要求1的方法，其中，在时钟周期的第一和第二阶段可选择地将所述第一 和第二输入节点耦合至所述第一和第二电压之一以及将所述第一和第二输出节点耦合至 所述第一和第二输出端子之一包括斩波操作以适于消除失配误差。
3. 根据权利要求1的方法，其中，在所述第一阶段可选择地将所述第一和第二输入节 点耦合至所述第一和第二电压包括： 闭合第一开关，以将所述第一电压耦合至所述第一输入节点，和闭合第二开关，以将所 述第二电压耦合至所述第二输入节点；和 打开在所述第二电压和所述第一输入节点之间的第三开关，以及打开在所述第一电压 和所述第二输入节点之间的第四开关。
4. 根据权利要求1的方法，其中，在所述第一阶段可选择地将所述第一和第二输出节 点耦合至所述第一和第二输出端子包括： 闭合第一开关，以将所述第一输出节点耦合至所述第一输出端子，和闭合第二开关，以 将所述第二输出节点耦合至所述第二输出端子；和 打开在所述第一输出节点和所述第二输出端子之间的第三开关，以及打开在所述第二 输出节点和所述第一输出端子之间的第四开关。
5. 根据权利要求1的方法，其中，在所述第二阶段可选择地将所述第一和第二输入节 点耦合至所述第二和第一电压包括： 闭合第一开关，以将所述第一电压耦合至所述第二输入节点，以及闭合第二开关，以将 所述第二电压耦合至所述第一输入节点；和 打开在所述第一电压和所述第一输入节点之间的第三开关，以及打开在所述第二电压 和所述第二输入节点之间的第四开关。
6. 根据权利要求1的方法，其中，在所述第二阶段可选择地将所述第一和第二输出节 点分别耦合至所述第二和第一输出端子包括： 闭合第一开关，以将所述第一输出节点耦合至所述第二输出端子，以及闭合第二开关， 以将所述第二输出节点耦合至所述第一输出端子；和 打开在所述第一输出节点和第一输出端子之间的第三开关，以及打开在所述第二输出 节点和第二输出端子之间的第四开关。
7. -种电路，包括： 电容桥，包括第一输入节点、第二输入节点、第一输出节点以及第二输出节点；和 第一开关电路，配置成在时钟周期的第一阶段将第一和第二电压分别耦合至第一和第 二输入节点，以及，在所述时钟周期的第二阶段可选择地将所述第二和第一电压分别耦合 至所述第一和第二输入节点。
8. 根据权利要求7的电路，还包括第二开关电路，配置成：在所述第一阶段可选择地将 所述第一和第二输出节点分别耦合至所述第一和第二输出端子，以及，在所述第二阶段可 选择地将所述第二和第一输出节点分别耦合至所述第一和第二输出端子。
9. 根据权利要求8的电路，其中，所述第一和第二开关网络在所述第一和第二阶段期 间工作，以执行斩波操作消除失配误差。
10. 根据权利要求8的电路，其中，所述第二开关电路包括： 耦合在所述第一输出节点和所述第一输出端子之间的第一开关； 耦合在所述第二输出节点和所述第二输出端子之间的第二开关； 耦合在所述第一输出节点和所述第二输出端子之间的第三开关；和 耦合在所述第二输出节点和所述第一输出端子之间的第四开关。
11. 根据权利要求8的电路，还包括耦合到所述第一和第二输出端子的积分器电路，所 述积分器电路配置成实现德尔塔-西格马变换器。
12. 根据权利要求7的电路，其中，所述电容桥包括： 耦合在所述第一输入节点和第一输出节点之间的第一电容； 耦合在所述第二输入节点和所述第二输出节点之间的第二电容； 耦合在所述第一输入节点和第二输出节点之间的第一可变电容； 耦合在所述第二输入节点和所述第一输出节点之间的第二可变电容。
13. 根据权利要求7的电路，其中，所述第一开关电路包括： 耦合在所述第一电压和所述第一输入节点之间的第一开关； 耦合在所述第二电压和所述第二输入节点之间的第二开关； 耦合在所述第一电压和所述第二输入节点之间的第三开关；和 耦合在所述第二电压和所述第一输入节点之间的第四开关。
14. 一种电路，包括： 电容桥，包括第一输入节点、第二输入节点、第一输出节点以及第二输出节点； 多个第一开关，用于有选择地将第一电压耦合至所述第一和第二输入节点之一； 多个第二开关，用于有选择地将第二电压耦合至所述第一和第二输入节点之一； 多个第三开关，用于有选择地将第一输出节点耦合至第一和第二输出端子之一； 多个第四开关，用于有选择地将第二输出节点耦合至所述第一和第二输出端子之一。
15. 根据权利要求14的电路，其中： 所述多个第一开关包括： 第一开关，用于可选择地将所述第一电压耦合至所述第一输入节点；和 第二开关，用于可选择地将所述第一电压耦合至所述第二输入节点；和 所述多个第二开关包括： 第一开关，用于可选择地将所述第二电压耦合至所述第二输入节点；和 第二开关，用于可选择地将所述第二电压耦合至所述第一输入节点。
16. 根据权利要求14的电路，其中： 所述多个第三开关包括： 第一开关，用于可选择地将所述第一输出节点耦合至所述第一输出端子；和 第二开关，用于可选择地将所述第一输出节点耦合至所述第二输出端子；和 所述多个第四开关包括： 第三开关，用于可选择地将所述第二输出节点耦合至所述第二输出端子；和 第四开关，用于可选择地将所述第二输出节点耦合至所述第一输出端子。
【文档编号】H03M1/52GK104283565SQ201410445345
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】L·内尔韦尼亚, B·德尔西格诺 申请人:硅实验室股份有限公司